抵达
当我们安顿好在一辆红色皮卡车上后，我的司机和我离开了机场，驶向智利阿塔卡玛沙漠中一座名为塞罗曼基的孤峰。两小时后，当汽车沿着通往山顶的蜿蜒道路转弯时，我迎来了熟悉的景象：阳光反射在双子麦哲伦望远镜巴德和克莱的银色外壳上。我的心跳加快了一些。从明天晚上开始，克莱望远镜就完全属于我了。
我每年大约三次从波士顿前往拉斯坎帕纳斯天文台，以帮助解开银河系演化中一些剩余的谜团。天文学家非常熟悉我们星系的结构，但我们仍然不了解其诞生和发展的全部细节。早期宇宙的计算机模拟表明，曾经有数千个小星系围绕着年轻的银河系，银河系通过吞噬许多较小的星系而变大。为了帮助确定这些模拟是否正确，我将我们星系外围（称为星系晕）的古老恒星的化学成分，与今天仍在银河系轨道上运行的矮星系中的古老恒星的化学成分进行比较。如果模拟是正确的，那么古代星系晕恒星和矮星系恒星应该是由相同的物质构成的。
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过去几年，化学分析恰恰揭示了这一点。银河系很可能通过吞噬矮星系并将它们的恒星融入其星系晕而扩张。即使现在，我们的星系似乎也在吞噬来自星系邻居的恒星流来使自己变得更胖。然而，天文学家尚未收集到足够的数据将这些想法写入教科书。像每一位优秀的观测者一样，我总是在寻找更多的证据。天文学家时不时需要离开办公室和大学，前往偏远的地方，远离任何城市喧嚣——最好是海拔较高的地方——并面对赤裸裸的夜空之美。在这样的旅程中，我记起了我最初爱上科学的原因。这就是我想向您展示的。
准备工作
像往常一样，我比轮到我使用望远镜提前一天到达天文台，这样我有时间适应我的研究需要的夜间作息时间。在每年的这个时候，典型的工作日从下午 3 点持续到早上 6 点，夜间观测大约在晚上 6 点开始。我休息一个小时，然后与其他天文学家在小屋里共进晚餐，那里的极客氛围非常浓厚。我们谈论最近我们觉得有趣的研究、人们在使用望远镜时遇到的任何技术问题以及天气预报——每个人都害怕阴天。
晚餐后，我拜访了维护克莱光学望远镜及其令人印象深刻的 21 英尺直径镜片的操作员和技术人员。只有像这样相对较大的望远镜才能收集到我研究的昏暗而遥远的恒星发出的足够的光。即使我今晚不进行观测，我也喜欢与工作人员和当前的观测者交谈，了解自我上次访问拉斯坎帕纳斯以来发生的事情。
大约凌晨 2 点——熬夜足够长的时间开始调整我的睡眠周期——我离开望远镜，走进凉爽的夜空，在那里我在灌木和石头中找到了路。阿塔卡玛沙漠是世界上最干燥的沙漠，是研究恒星的理想场所：空气中几乎没有水来弯曲偏离望远镜的星光束。即使没有望远镜，南半球也能提供无与伦比的银河系景观。我仰起头，凝视着我们星系的中心，那里无数的恒星像糖蜜中的钻石碎片一样散落着。
如果您从侧面窥视银河系，它看起来像一个煎蛋：一个明亮、稠密的恒星蛋黄，称为银河中心，星系的旋臂围绕其形成一个薄薄的碟状物，称为银河盘。一个短暂的古老恒星晕包围着整个银河盘。大约 30 个已知的矮星系在星系晕的最外层区域旋转。平均而言，典型的矮星系仅包含几十亿颗恒星，远少于相对巨大的银河系中的 2000 亿到 4000 亿颗恒星。一些特别暗淡的矮星系可能只包含数千颗恒星，尽管很难计算出如此微弱星团中的恒星数量。
我的研究主要集中在天文学家在过去 10 年才发现的超暗矮星系中的恒星。这些星系中的恒星似乎是一些有史以来最古老的恒星。我们知道这些恒星很古老，因为它们所含化学元素的比例。大爆炸之后，宇宙中的第一批恒星是由氢气、氦气和微量锂（所有元素中最轻的元素，也是当时唯一存在的元素）的气态云形成的。随着第一批恒星的老化，它们核心中的核反应产生了更重的元素，如碳、氧、氮和铁，当这些恒星以超新星的形式爆炸时，这些元素喷射到太空。新一代的恒星是由富含这些较重元素的气态云形成的，天文学家为了方便起见，将这些元素以及锂称为“金属”。只有在后期世代形成的恒星才含有大量的金属。我研究的是在宇宙婴儿期诞生的贫金属恒星。超暗矮星系的恒星比它们更明亮的同类星系少，但它们贫金属恒星的比例更高——它们很可能是很久以前的遗迹。
我独自在星光指引下从望远镜走到小屋——无需手电筒。只有我和星星。
一夜的工作
在睡过我第二天的大部分时间后，我为我的第一个望远镜观测之夜做准备。我在观测者工作场所就座——那是一张桌子，上面有几台电脑屏幕，告诉我望远镜的状况、天气和恒星的位置。望远镜操作员按照我的命令操纵仪器，坐在前面是一堵由 15 个屏幕排列成几排的墙。
在我抵达智利的前一周，我制作了一份按优先级排序的“目标列表”矮星系恒星。在查看天气状况后，我选择列表上的第一颗恒星，要求操作员将望远镜移动到位置并开始收集星光。
从大约 13 万光年远的矮星系传播而来的星光带携带着恒星的化学 DNA——但代码必须被破译。克莱望远镜配备了高分辨率摄谱仪，可以将星光束拉伸成不同波长的彩虹，我在一个小电脑屏幕上查看。在彩虹的不同点上切开的是黑色的垂直条，称为吸收线，它对应于恒星外壳中不同化学元素的丰度。吸收线越细，恒星中存在的特定元素就越少。事实上，高分辨率光谱学足够精确，可以告诉我一颗恒星包含多少个每种化学元素的原子。
过去几年我收集和分析的所有星光都告诉我，星系晕恒星和暗淡矮星系恒星都具有非常弱的吸收线，对应于铁等重元素。例如，在银河系的星系晕中，我发现了宇宙中最贫铁的恒星，它的铁含量仅为地球核心的 1%。为了便于比较，请考虑一下，这颗恒星的质量约为太阳的 60%，而太阳的质量是地球的 30 万倍。
这种贫金属的星系晕恒星不可能在银河系中相对较新的几代恒星中诞生。相反，它们一定是与诞生古代矮星系恒星的气态云——仅存在于宇宙婴儿期的云——相同类型的气态云形成的，在恒星熔炉产生较重元素之前。证据表明，古代星系晕恒星在化学上与矮星系恒星相似，因为它们也曾经是矮星系的一部分。随着时间的推移，银河系吞噬了这些附近的矮星系，窃取了它们的恒星，同时变得更大。然而，化学分析并不是我们星系同类相食的唯一证据。天文学家还发现了我们认为是前餐的污渍——星系晕中的恒星流，它们很可能从被银河系引力场捕获的卫星星系中解开。现在，银河系正在一点一点地吞噬人马座矮椭圆星系，因为卫星星系围绕我们的星系呈弧形运动。每一次转弯，恒星都会从人马座中被撕裂并抛入我们星系的星系晕中。
大约早上 7 点，自从我第一次进入望远镜观测室已经超过 12 个小时了，我对从我的目标列表中的第一颗恒星收集到的数据感到满意。是时候结束这一夜了。我整理好笔记，离开望远镜，沿着山路走一小段路回到我在小屋里的卧室。我已经想象着自己拉上厚厚的、防晒的窗帘，将头靠在枕头上休息。晨曦笼罩着头顶的星星，但我知道它们在那里——已经燃烧了数十亿年。
进一步观测
下午 3 点，我挣扎着起床，吃过晚饭后，准备用望远镜进行更多观测。我不能浪费一分钟，特别是考虑到每个观测夜晚的成本超过 5 万美元，所以我仔细地计划我的夜晚。
每当我观测一颗恒星时，我都需要收集足够数量的光子，以便稍后对该恒星的化学成分进行有意义的分析。恒星越暗淡，我需要收集足够的光子就越多。理想情况下，我希望在我的目标列表中观测每个矮星系恒星总共 10 个小时，因为这些恒星非常暗淡——相比之下，星系晕恒星只需要一到三个小时的曝光时间。然而，随着地球绕其自身轴线旋转，拉斯坎帕纳斯天文台背离了我正在研究的太空区域，因此我不可能在任何一个晚上观测到我的任何目标矮星系恒星超过四到五个小时。为了弥补这一点，我在几个晚上观测同一组恒星。还有另一个复杂的问题：高能宇宙射线不断轰击地球——击中望远镜的探测器并降低数据质量。我发现一种有效的方法是在收集足够星光但又不会收集太多宇宙射线之间取得适当的平衡，是将我的观测分成 55 分钟的块。短于 55 分钟，我将无法收集到足够的光子；长于 55 分钟，仪器将被过多的宇宙射线击中。我通常观测一颗恒星四到五个 55 分钟的块，然后移动到天空不同部分的下一颗恒星。
当需要从观测一颗恒星切换到另一颗恒星时，我必须仔细审查所有可用的数据：到目前为止我收集到的光子数量、我的目标恒星在夜空中的位置以及天气预报。望远镜操作员正在等待我的决定。例如，假设我没有从我正在观测的第一颗恒星那里收集到我想要的光子数量，但这颗恒星很快就会消失在地平线以下。我需要决定是继续观测这颗恒星一段时间，还是转移到另一颗恒星，并希望天空晴朗到足以在另一个晚上再次观测第一颗恒星。如果我幸运的话，我能够匆匆下楼到厨房给自己做个三明治，但在大部分时间里，我都被粘在电脑屏幕上，直到我收集到足够的光子可以结束这一夜。
天气变化
大约下午 6:30，在新一轮观测开始之前，我走到克莱望远镜外的猫道上。在拉斯坎帕纳斯观看日落是一种仪式。太阳缓缓沉入地平线以下，将山顶披上粉红色和桃红色的面纱。每次日落都标志着一个新的观测夜晚的开始——只要天气允许。我在望远镜中的第三个夜晚开始得很好，但不久之后，我就皱着眉头看着我面前显示器上的天气报告。我打开望远镜的门，将头伸到夜空中。比凝结奶油还厚的云层挤满了塞罗曼基山峰。没有什么可以做的。我今晚不会再观测任何恒星了。我坐在我的笔记本电脑前，回复我忽略太久的电子邮件，整理之前研究的数据，并写作——事实上，这篇文章的大部分内容都是在那个阴沉的夜晚写的。
当我从写作中休息一下时，尚未发现的矮星系的图像在我的脑海中浮现。我们星系诞生的计算机模拟表明，有更多的矮星系围绕银河系运行，而我们迄今为止发现的还少。我们已经绘制了所有明亮的矮星系。我们尚不知道的那些要么更暗淡，要么更遥远，这意味着我们需要特别敏锐的眼睛才能找到它们。卡内基科学研究所计划在拉斯坎帕纳斯建造一座新的望远镜，在塞罗曼基山峰附近的另一座山上——该仪器拥有 82 英尺直径的镜片。这几乎是我现在使用的镜片直径的四倍。凭借其巨大的镜片和配套的摄谱仪，新的望远镜将让我能够凝视银河系星系晕的遥远区域，在那里我希望找到更多贫金属恒星。我们进行的观测越多，我们就越接近填补我们星系以及银河系如何成为今天的样子的故事中的所有空白。